1、非接触式红外遥感体温计的设计I非接触式红外遥感体温计的设计摘要针对传统水银体温计和电子体温计的种种缺陷和不便，本文设计了一种非接触测量体温计。该体温计利用 GE 公司的红外热电堆温度传感器 ZTP-101L 实现对温度信号的非接触测量。微弱的电压信号放大采用低失调、低漂移、高精度的集成仪用运算放大器 AD620。模数转换用自带 ADC 的 16 位单片机 MSP430F149。本文从硬件技术和软件方法上详细阐述了该仪器的实现手段。系统具有报警选择和长时间无人操作自动待机的功能，具有智能化的特点。关键词 热电堆温度传感器；体温；AD620非接触式红外遥感体温计的设计IIDESIGN OF NON
2、-CONTACT INFRARED REMOTE THERMOMETERABSTRACTThe paper designs of a non-contact measurement thermometer to solve the traditional mercury thermometer and electronic thermometer of deficiencies and inconveniences. The infrared thermopile temperature sensor ZTP-101L produced by GE achieves the untouched
3、 measuring of body temperature. The weak electric voltage signal is amplified by the extremely low offset voltage、low drift、high precision of integrated instrument operational amplifier AD620. A/D is realized by 16 bits MCU MSP430F149, whitch has ADC function. The paper explains the realization of t
4、he instrument from the two aspects-hardware techniques and software methods. The system has functions such as selectable alarm feature and auto-power off if there is no operation for long time, the design has intelligentized feature.KEY WORDS the thermopile temperature sensor; body temperature; AD62
5、0目录摘要 .IABSTRACT.II1 前言 .- 1 -2 系统总体方案 .- 2 -3 硬件电路设计 .- 2 -3.1 电源电路 .- 2 -3.1.1 概述 .- 2 -3.1.2 TL431 简介 .- 3 -3.2 单片机最小系统 .- 4 -3.2.1 MSP430F149 简介 .- 4 -3.2.2 最小系统 .- 4 -3.3 键盘系统 .- 5 -3.4 显示系统 .- 6 -3.4.1 系统概述 .- 6 -3.4.2 YM12864 简介 .- 6 -3.4.3 显示系统电路 .- 7 -3.5 报警系统 .- 8 -3.6 电池电压监控系统 .- 9 -3.6.1
6、 系统概述 .- 9 -3.6.2 LM393 概述 .- 10 -3.7 ADC 系统 .- 10 -3.8 ZTP101L 简介 .- 11 -3.9 信号调理系统 .- 11 -3.9.1 系统概述 .- 11 -3.9.2 AD620 简介 .- 12 -3.9.3 热电堆信号调理 .- 13 -3.9.4 环境补偿信号调理 .- 13 -4 软件设计 .- 14 -4.1 环境温度补偿算法 .- 14 -4.1.1 黑体辐射定律 .- 14 -4.1.2 算法概述 .- 14 -4.2 主程序流程图 .- 15 -4.3 子程序流程图 .- 16 -4.3.1 初始化子程序流程图 .
7、- 16 -4.3.2 键盘扫描子程序流程图 .- 17 -4.3.3 显示子程序流程图 .- 17 -4.3.4 测温子程序流程图 .- 19 -4.3.5 温度值存储子程序流程图 .- 19 -5 结束语 .- 20 -致 谢 .- 22 -参考文献 .- 23 -附录一 .- 24 -附录二 .- 26 -非接触式红外遥感体温计的设计- 1 -1 前言人体体温是鉴别人体健康状况的重要参数，所以体温计在医疗领域中占有十分重要的地位。现有体温计大概分为三种类型：一种是常见的玻璃水银体温计；一种是电子体温计；另一种是较高档的红外遥感体温计。水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端：首先，水银体温计
8、遇热或安置不当，体温计容易破裂。其次，人体接触水银后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。因为水银有剧毒，一旦污染了水源或食物，可以对人的肾脏、肺等造成极大的伤害，水银也能加速人神经系统退变。最后采用水银体温计测温需要相当长的时间(5min10min)，使用不便。美国一些城市和医院已开始禁止使用水银体温计。电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，采用电子体温计测温也需要较长的时间，同样使用不便。红外体温计是根据黑体辐射原理通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。它用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线，它采用的是被动式且非接触的测量方式，因此，红外体
9、温计的性能最好，它不仅测量速度快(测量时间小于 1s)而且精度最高(0.1)。红外温度计在工业中已有广泛的应用，其测量范围可从常温到达上千摄氏度。但是红外温度传感器的输出与被测物体的温度是非线性关系，所以会存在较大的误差，精度一般在1%2%。因而其绝对误差值较大。人体的温度只在较小的范围内变化(3542)，因此，只要进行较细的刻度，红外体温计就可获得较高的测量精度。为了排除环境温度变化对测量结果的影响，还要采取温度补偿电路对环境温度进行补偿。本文设计的红外体温计其测量范围是3542，且精度为0.3。在该设计中，以低功耗单片机为主体，配有高精度放大器和 12 位 ADC，测量值用 LCD 进行温
10、度显示，具有成本较低、使用方便、测量时间短、精度较高、可重复性好等特点。2 系统总体方案本系统采用热电堆红外温度传感器采集目标物体和环境温度之间的温差，放大一定倍数后以电压形式输出。由于内部集成有热敏电阻用来补偿环境温度，经过本文设计的调理电路能够将环境温度转换成电压输出。然后，这两路电压进入单片机内部自带的 ADC 转换成数字量，软件处理完成后将测量结果显示在 LCD 上。同时，非接触式红外遥感体温计的设计- 2 -系统还有用来输入命令的键盘系统和测量温度超过设定温度的报警系统以及检测电池电量的电压监控系统，具体框图如图 1 所示。M S P 4 3 0 F 1 4 9最小系统显示系统报警系
11、统键盘系统红外传感器热电堆信号调理电路A D C环境补偿信号调理电路电池电压监控系统图 1 系统总体框图3 硬件电路设计3.1 电源电路3.1.1 概述电源是一切电子设备的心脏，它设计的好坏会直接影响到该设备的稳定性和可靠性。结合本题实际，在仔细分析了各个模块的供电需求后，本文设计了一个完全可以满足本题要求的电源系统。为了提高精度，本系统的电源分为两部分，一是最小系统和显示系统的供电（图 2） ，二是信号调理和监控部分的供电(图 3)。由于单片机为 3.3V 供电且其内部的 ADC 的参考电压也选择的是电源电压，故其必须比较稳定，为此采用将 9V 电池电压先经过 7805 变为 5V 电压，然
12、后经过 AMS1117-3.3变为稳定的 3.3V 电压。信号调理电路和监控电路由于对供电和基准源的精度要求都很高，为此选择了 TL431，它将 9V 的电池电压经过内部的负反馈和外部的电阻关系变为非常稳定的 5V 电压供相关设备使用。非接触式红外遥感体温计的设计- 3 -图 2 控制和显示部分供电电路图 3 信号调理和监控部分供电电路3.1.2 TL431 简介德州仪器公司（TI）生产的 TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从 Vref（2.5V）到 36V 范围内的任何值。TL431 的具体功能可以用图 4 的功能模块示意。由图
13、可以看到，内部的 2.5V 的基准源，接在运放的反向输入端。由运放的特性可知，只有当 REF 端（同向端）的电压非常接近 2.5V 时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着 REF 端电压的微小变化，通过三极管的电流将从 1 到 100mA 变化。非接触式红外遥感体温计的设计- 4 -图 4 TL431 内部框图3.2 单片机最小系统3.2.1 MSP430F149 简介MSP430F149 是一种特低功耗的混合信号微控制器，它可以被设计成用电池工作且可以工作很长时间。它具有 16 位的 RISC 结构，CPU 中的 16 位寄存器和常数发生器，使它具有最高的代码效率，数字控制的振
14、荡器可以使器件从低功耗模式迅速唤醒，在小于 6us 的时间内达到激活方式。主要特点如下所示：1. 低电源电压范围：1.83.6V2. 特低功耗。等待方式：1.3uA；RAM 保持关闭模式：0.15uA3. 低工作电流。7uA（32KHZ，2.2V） ；250uA（1MHZ，2.2V）4. 5 种节电方式5. 由等待方式唤醒时间：6us6. 16 位 RISC 结构，125ns 指令执行周期7. 12 位 A/D 转换器，具有内部基准、采样保持和自动扫描等功能8. 定时器 B：带有 7 个俘获/阴影比较寄存器的 16 位定时器9. 定时器 A：带有 3 个俘获/阴影比较寄存器的 16 位定时器1
15、0. 片上比较器11. 2KB RAM 和 60KB ROM 空间3.2.2 最小系统最小系统主要包括维持单片机运转所需要的复位电路、晶体振荡电路和电源构成。具体电路如图 5 所示。非接触式红外遥感体温计的设计- 5 -图 5 MSP430F149 最小系统3.3 键盘系统图 6 键盘系统电路考虑到用户不仅需要手动启动测温过程而且还要在每次测温前设定一些参数以非接触式红外遥感体温计的设计- 6 -及查询历史值，所以本设计采用四个独立式按键来构成键盘系统，通过该系统，用户就可以很方便的使用该测温仪了。具体电路如图 6 所示。按键功能分配如表 1 所示。按键 键名 功能S1 测温 启动测温S2 历
16、史查询 查询最近 6 次历史值S3 温度单位切换 选择摄氏温标或者华氏温标S4 报警选择 启动报警或者关闭报警表 1 按键功能分配表3.4 显示系统3.4.1 系统概述考虑到系统不仅需要显示各个参量的设置信息而且还要显示当前各个参量的状态以及当前的测温值。虽然说这些参量用数码管完全可以显示出来，但是考虑到一是占用大量 IO 口，硬件复杂；二是这么多数码管的刷新显示也会占用 CPU 大量资源，对于程序的编程十分不利。另外为了设计一个界面友好、易于使用、信息显示量大的显示系统，本文放弃数码管，选择 LCD12864。3.4.2 YM12864 简介本文采用的 YM12864 是深圳市耀宇科技有限公司生产的一种基于 ST7920 内核的可显示汉字和图形的点阵液晶模块。内置 8192 个中文汉字、128 个字符以及点阵显示 RAM。主要技术参数如下所示：电源：VDD 3.3V5V(内置升压电路，无需负压)显示内容：128 列 X64 行显示颜色：黄绿显示角度：6：00 钟直视LCD 类型：STN与 MCU 接口：8 位并行/3 位串行可配置背光、光标显示、画面移位、自定义字符和睡眠模式等。引脚功能如表 2 所示。
